高掺杂可用性导电聚合物正极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高掺杂可用性导电聚合物正极材料的制备方法，以噻吩类及苯胺类衍生物作为单体，以多孔碳作为载体，通过蒸发法制备的单体/多孔碳纳米复合物材料；将制备的单体/多孔碳纳米复合物材料制备成电极，并组装电池，在电池充电时单体在电池内部原位电聚合形成高掺杂可用性导电聚合物正极材料。导电聚合物正极材料均具有近100％的掺杂水平，实际容量接近其理论容量，其中噻吩[3,2

【技术实现步骤摘要】
高掺杂可用性导电聚合物正极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及高掺杂可用性(几乎反应1e
‑
)导电聚合物正极材料的制备方法，属于电化学储能


技术介绍

[0002]随着社会向可持续生产和清洁能源利用的快速发展，锂离子电池作为高能量密度的存储设备已经广泛探索。目前大多数商业化的锂离子电池采用过渡金属氧化物作为正极材料，比如LiMnO2、LiCoO2和LiNixMnyCo1
‑
x
‑
yO2等。由于过渡金属的大规模开采和广泛使用以及制造和回收过程中引起的环境问题，引起了人们的担忧，它们的可持续发展必然受到制约。因此，具有结构可设计性、储量丰富、成本低且环境友好的有机材料受到人们的广泛关注。
[0003]具有氧化还原活性的导电聚合物自19世纪80年代就被应用于锂离子电池，并且BRIDGESTONE和BASF随后推出了基于聚吡咯和聚苯胺的商用锂离子电池，但由于其循环寿命短、能量密度低，上市五年后便停止商业化生产。在锂导电聚合物电池中，导电聚合物的低掺杂可用性(最多反应0.3
‑
0.5e
‑
)和差的本征电导率使导电聚合物很难达到完全氧化态，制备纳米结构的导电聚合物是提高其掺杂可用性的一种有效的方法。但聚合物在电极制备过程中会发生严重的团聚行为，从而影响电化学性能。
[0004]为制备形貌均匀的电极，目前有以下几种方法：1.物理研磨法、2.原位聚合、3.原位纳米化、4.原位电聚合等等，但这些方法对导电聚合物掺杂可用性的提升效果并不明显。其中，原位电聚合是利用可聚合基团的单体，在电场作用下，使其在电池内部进行聚合，但是仍有缺陷，首先单体在聚合前会溶解在电解液中，影响电池的电化学性能；其次，原位电聚合形成的聚合物颗粒尺寸仍旧较大，不利于导电聚合物掺杂水平的提高。本专利首次将单体与多孔碳制备成纳米复合材料，利用原位电聚合及介孔的纳米限制效应，显著地提高导电聚合物的掺杂水平的同时，使其具有良好的循环稳定性。本专利技术有效地填补了高掺杂可用性导电聚合物正极材料的空白。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对已有技术存在的问题，本专利首次将单体与多孔碳制备成纳米复合材料，利用原位电聚合及纳米孔的纳米限制效应，显著地提高导电聚合物的掺杂水平的同时，使其具有良好的动力学性能以及循环稳定性。本专利技术有效地填补了高掺杂可用性导电聚合物正极材料的空白。
[0006]提出了一种简单的高掺杂可用性导电聚合物正极材料的制备方法。
[0007]本专利技术旨在解决导电聚合物的低掺杂可用性以及目前已有技术中高掺杂水平与循环稳定性的矛盾、操作复杂以及成本高等问题。
[0008]本专利技术以多孔碳作为制备导电聚合物的载体，通过简单的蒸发法制备单体/多孔碳纳米复合物材料，使其原位电聚合作为正极材料。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]一种高掺杂可用性导电聚合物正极材料的制备方法，其特征是：1)以噻吩类及苯胺类衍生物作为单体，以多孔碳作为载体，通过蒸发法制备的单体/多孔碳纳米复合物材料；2)将制备的单体/多孔碳纳米复合物材料制备成电极，并组装电池，在电池充电时单体在电池内部原位电聚合形成高掺杂可用性导电聚合物正极材料。
[0011]所述的单体为噻吩[3,2
‑
b]并噻吩，2,2
’‑
二噻吩，3,3
’‑
二噻吩，2,2
’
:5
’
,2
”‑
三噻吩，二噻吩[3,2
‑
b:2
’
,3
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D]噻吩，1
‑
氨基萘，1,8
‑
二氨基萘，结构式如下：
[0012][0013]所述的制单体/多孔碳纳米复合物材料的蒸发制备方法如下：将单体溶解于二氯甲烷、三氯甲烷或者二甲基亚砜中形成单体有机溶液，向其中加入多孔碳，将混合溶液超声至混合均匀后，在室温至100℃下真空直至完全干燥，即得到单体/多孔碳纳米复合物材料。
[0014]优选单体有机溶液浓度为2
‑
6mg/ml。
[0015]优选单体与多孔碳质量比为30:15
‑
90。
[0016]所述的步骤(2)的制备方法采用通常的电极制备方法，包括以下步骤：
[0017](1).将制备的单体/多孔碳纳米复合物材料、碳黑和聚偏氟乙烯或海藻酸钠按质量比60
‑
80：30
‑
10：10分散于N
‑
甲基吡咯烷酮或水中，浆料搅拌均匀后涂布于铝箔上方，50
‑
70℃干燥2
‑
6小时后剪切成极片并作为正极，电池采用2032型号扣式电池，聚丙烯作为隔膜，金属锂箔作为负极，电解液采用1M LiPF6 in EC/DEC(V/V＝1:1)；
[0018](2).组装电池后置于Land 2001A电池测试系统进行电化学性能测试，测试电压范围为2.0
‑
4.4V，在首圈充电过程中，在电场作用下单体在纳米孔内原位电聚合形成纳米结构的导电聚合物。
[0019]本专利技术的效果说明如下：
[0020]本专利技术具有的特点和优势：操作简单、原料价格低廉且来源广泛、绿色环保、可实现大规模生产，满足实际应用的第一要求；在半电池测试中，制备的噻吩[3,2
‑
b]并噻吩，2,2
’‑
二噻吩，3,3
’‑
二噻吩，2,2
’
:5
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,2
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三噻吩，二噻吩[3,2
‑
b:2
’
,3
’‑
D]噻吩，1
‑
氨基萘，1,8
‑
二氨基萘等导电聚合物正极材料的实际容量均接近其理论比容量，具有良好的普适性，其中噻吩[3,2
‑
b]并噻吩/活性碳正极材料具有381.6mAhg
‑1的可逆比容量以及1258.5Wh Kg
‑1的能量密度，1
‑
氨基萘/介孔碳正极材料具有183.6mAh g
‑1(室温)、150.3mAh g
‑1(
‑
15℃)的高可逆比容量，在高达320C的电流密度下其比容量仍能够保持在120.3mAh g
‑1,同时，原位电聚合形成难溶解的聚合物及介孔的纳米限制效应，使其具有良好的循环稳定性，在5A g
‑1的电流密度下，2.0
‑
4.2V电压范围内，噻吩[3,2
‑
b]并噻吩/活性碳纳米复合物正极和
1
‑
氨基萘/介孔碳正极材料能分别稳定循环2000圈以及10000圈。
[0021]此方法通过简单的蒸发法将可聚合单体封装到多孔碳的介孔内，构筑单体/多孔碳纳米复合物材料并制备电极，在充电过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高掺杂可用性的导电聚合物正极材料的制备方法，其特征是：包括如下步骤：1)以噻吩类或苯胺类衍生物作为单体，以多孔碳作为载体，通过蒸发法制备的单体/多孔碳纳米复合物材料；2)将制备的单体/多孔碳纳米复合物材料制备成电极，并组装电池，在电池充电时单体在电池内部原位电聚合形成高掺杂可用性导电聚合物正极材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述的单体为噻吩[3,2
‑
b]并噻吩，2,2
’‑
二噻吩，3,3
’‑
二噻吩，2,2
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,2
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三噻吩，二噻吩[3,2
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b:2
’
,3
’‑
D]噻吩，1
‑
氨基萘，1,8
‑
二氨基萘，结构式如下：3.如权利要求1所述的方法，其特征是，蒸发法制备的单体/多孔碳纳米复合物材料是将单体溶解于二氯甲烷、三氯甲烷或者二甲基亚砜中形成单体有机溶液，向其中加入多孔碳，将混合溶液超声至混合均匀后，在室温至100℃下...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨继兴，杨钧凯，许运华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：